《多步微生物降解過程中間產物積累機理和數學描述》是依託同濟大學，由袁志文擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：多步微生物降解過程中間產物積累機理和數學描述
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：袁志文
- 依託單位：同濟大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
微生物降解難降解有機物時往往需要通過加氧酶反應對其分子結構進行活化，使其轉變為更易生物降解的結構。中間代謝產物的產生和積累在這些多步驟複雜生物反應過程中是非常普遍的現象。中間產物積累會減緩甚至抑制初始污染物降解過程，導致污染物降解的不徹底性。本課題擬以苯酚和苯甲酸作為目標污染物，試驗研究其好氧生物降解時中間產物積累過程和機理，以本課題申請者提出的熱力學多步微生物生長反應式預測模型為基礎，建立多步微生物生長反應式並與相應的微生物生長動力學方程耦合起來，結合計算機輔助手段，數學模擬預測中間產物積累的時間過程，找出其關鍵影響因素，為實現污染物的快速和徹底的無害化提供理論指導。
結題摘要
加氧酶反應可活化難降解有機物的分子結構，使其轉變成為更易生物降解的結構，但同時會降低微生物可以從中獲取的有效電子供體數量，導致細胞產率下降。降解中間產物的積累會減緩甚至抑制初始污染物降解過程，導致污染物降解的不徹底性。 本課題以苯酚作為目標污染物，Ralstonia eutropha為實驗菌株，採用分批式培養實驗，對不同條件下苯酚、微生物量以及中間產物的變化規律進行實驗研究，結果表明：（1）Ralstonia eutropha在低pH環境下生長較為緩慢，苯酚降解速率較慢，中間產物2-HMSA與中性和微鹼性條件下相比更容易積累。（2）Ralstonia eutropha降解苯酚的最佳條件為：最佳底物濃度範圍為500~700mg/L；最佳pH為中性和微鹼性（6.84~7.88）；溫度28±2℃；氧氣充足。（3）最佳條件下，Ralstonia eutropha降解苯酚在初期時中間產物2-HMSA的積累較為迅速，大約20min時積累量達到最大，之後苯酚和中間產物2-HMSA共同降解，微生物進入快速生長期，約60min時，苯酚降解完全。中間產物2-HMSA繼續降解至約130mg/L時不再降解，微生物生長進入穩定期。整個過程中，均未檢測到中間產物鄰苯二酚，說明鄰苯二酚降解十分迅速。 根據實驗結果和文獻調研，對Ralstonia eutropha採用加氧酶反應降解苯酚的過程採用三步反應模型進行數學模擬: （1）第一步反應生成中間產物鄰苯二酚，為單加氧酶反應，細胞產率為零；（2）第二步反應為Ralstonia eutropha降解第一步產物鄰苯二酚生成2-HMSA，為雙加氧酶反應，細胞產率為零；（3）第三步反應為第二步的產物2-HMSA進入細胞普通代謝途徑進行代謝，最終礦化為CO2和H2O，釋放的電子和能量用於微生物的生長和合成。基於產物抑制動力學模型基礎，分別建立了：（1）苯酚濃度隨時間變化的降解速率方程；（2）中間產物（鄰苯二酚和2-HMSA）濃度隨時間變化的速率方程，以及（3）微生物生長速率方程。 套用計算機軟體MATLAB對Ralstonia eutropha採用加氧酶反應物降解苯酚過程中的中間產物積累和微生物生長過程進行了數學模擬，得出結論：不同反應步驟中底物的相對利用速率決定著中間產物積累的動力學過程，中間產物積累對初始底物的降解有著深刻影響。
